紫外激光在半导体芯片切割中优势的研究

王 磊

(河北半导体研究所，河北石家庄050051)

激光技术、半导体技术、原子能、计算机是20世纪四项重大发明，四十多年来，随着小型电子产品和微电子器件需求量的日益增长，激光加工技术得到了迅速的发展，尤其最近十年来在紫外激光技术方面所取得的重要进步，使得激光技术和半导体技术结合得更加紧密，也极大地推动了半导体技术的发展，紫外激光在半导体芯片加工领域的应用主要包括：芯片切割、晶元钻微孔、晶元打标、激光调整薄膜电阻、激光测量、激光刻蚀、深紫外光投影光刻等方面，而在这些应用中，为了适应不断发展的大规模化生产，从产量和成本角度来看，传统的管芯分离技术也不再实用，紫外激光切割技术将成为具有巨大潜力的应用，他将成了这类应用的关键技术，本文着重论述紫外激光对半导体芯片切割的影响。

1 紫外激光切割技术概况

激光按波长可分为中红外光激光、红外激光、绿激光、紫外激光(见图1)。

图1 激光波长谱线

图1激光波长谱线波长激光还有一个分类是按波长分中红外光、红外光、绿光、紫外光等激光还有一个分类是按波长分中红外光、红外光、绿光、紫外光等。

激光广泛应用的基础在于它的特性。由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，因此就给激光加工带来一些其它加工方法所不具备的特性，它可在一个狭小的方向内有集中的高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行切割。

1.1 为何要选用紫外激光

大部分半导体材料对紫外波段的光线都有很好吸收,以单晶硅在不同波段的吸收为例(见图2)。

图2 单晶硅在不同波段的吸收

1.2 紫外激光切割原理

当采用紫外波段的激光加工半导体材料时，被加工材料通过自由电子所吸收的激光能量充分作用在材料分子的化学键上(见图3 a)，由于紫外光聚焦光斑细，光子能量相对较高，可将材料化学键打断(见图3 b)。生成物所占据的空间体积迅速膨胀，最终以体爆炸形式迸射分离母体并带走过剩的能量,热区影响小(见图3 c)。在此加工过程，由于没有热量产生，所以紫外激光的加工过程，又称之为“冷加工”，切割完成后通过相应的裂片工艺使每个芯片分开。由于这种特别波长和频率的激光作用到待加工材料上的能量只有几瓦甚至是毫瓦级，在外貌和内部都没有熔融质料，正面和背面用眼睛也几乎看不到刀痕和崩边，这为芯片生产商缩小切割道宽度，增加单位面积芯片数量以降低成本提供了较大的空间。由于短波长的紫外激光几乎没有热损伤，所以质料不需要冷却，整个切割过程都是在完全干燥的环境中进行。而熔融的质料也被汽化，所以质料外貌完全没有沾污，这也很好地解决了半导体晶圆片怕沾污的问题。

图3 紫外激光切割原理示意图

2 紫外激光切割技术在半导体行业应用的优势

2.1 传统的切割方法

在过去的二三十年里，砂轮切割是切割工艺的主流技术。在这种切割方式下，金刚石刀片以每分钟3万转到4万转的高转速切割晶圆的切割划道部分，其表面突起锋利的高硬度金刚石颗粒对切割部进行铲挖，同时载着晶圆的工作台以一定的速度沿刀片与晶圆接触点的切线方向呈直线运动，而切割晶圆产生的硅屑被去离子水冲走。近几年随着器件集成度的增加,芯片尺寸、切割道宽等相应地不断缩小。晶圆及芯片的厚度越来越薄，但由于半导体材料的脆性，传统切割方式会对晶圆的正面和背面产生机械应力，而高速的水流也会给晶圆带来形变压力，结果在芯片的晶体内部产生应力损伤,容易产生崩边现象，同时产生碎屑污染，降低芯片的机械强度，初始的芯片边缘裂隙在后续的封装工艺中或在产品的使用中会进一步扩散，从而可能引起芯片断裂，导致电性能失效。

2.2 红外激光切割方法

红外激光切割技术主要是通过待加工的材料吸收激光之后(见图4a)，利用聚焦到被加工部位的热量来熔化材料(见图4b)，使材料及表面的涂层被融解并蒸发(见图4c)，在被加工的材料产生一定深度(可调)的横断面，在此过程中会形成大的热效应区域(见图4d)，红外波段的激光一般能量较大，适合大功率切割的需要，但一些物质对该波段吸收不明显，存在局限性，此外，由于激光波长长，热效应明显，划缝有一定倾斜角，存在有部分熔融现象。

图4 红外激光切割原理

2.3 先进的紫外激光切割技术

用紫外激光对晶圆进行精密切割是晶圆尤其是易碎的化合物半导体晶圆切割的替代工艺。

紫外激光能对所有第III-V主族材料包括第IV主族材料如硅(Si)和锗(Ge)的晶圆以及砷化镓(GaAs)晶圆进行工艺处理。无论是薄的还是厚的晶圆片，由于紫外光的波长在0.4μm以下,并且聚焦点可小到亚微米数量级,使得紫外激光在芯片划切时,紫外激光工艺的切口 (在切割时材料损失的部分)比其他技术的更窄，切口宽度均小于3μm，并且切口更紧密、切口边缘更平直、更精细和更光滑，芯片的机械强度也要高出很多。由于紫外激光具有良好的聚焦性能和冷处理的特性,使得紫外激光可以加工极其微小的部件；不仅如此，可以被用来加工红外和可见光激光器加工不了的材料。从而使紫外激光有更高的灵活性和更广的应用场合。

2.3.1 紫外激光切割带来切割速度上的变革

传统的机械切割切割速度由于受到电机，机械传动等的限制，一般速度在5～20mm/s之间,加工时根据材料以及进给深度等参数进行选择，而紫外激光切割由于光学特性决定，其切割速度必将得到极大的提高，其切割速度与切割材料厚度的关系(见表1)。

表1 紫外激光切割速度与切割材料厚度的关系

通过对比我们知道，紫外激光切割工艺的切割速度远远大于传统切割技术的速度，尤其在薄芯片切割时紫外激光切割速度更是传统切割速度的10倍以上，例如100μm厚的砷化镓(GaAs)晶片，利用紫外激光切割，切割速度可达到150mm/s以上。如用传统机械切割速度一般为15mm/s。

2.3.2 单位面积的晶圆创造了更大的产能

在市场需求驱动下，裸片尺寸越来越小，成本不断降低。切割槽宽度从100μm降到30μm左右，如何在晶圆上分裂出更多数量的裸片，给芯片切割工艺带来新的挑战。30μm的尺寸超出了传统砂轮切割工艺允许的极限。而采用紫外激光切割工艺后，则完美地解决了这一问题，不仅切割槽宽度进一步降低到15～20μm。用于阻止表面裂纹发生的区域也可以省掉。这样整个晶圆因此而节省了很大的面积。尤其砷化镓(GaAs)晶圆这种成本较高的材料，其意义就更加明显。

2.3.3 紫外激光带来更高的成品率

传统的切割工艺不仅速度低，能造成裸片边缘的破碎，有时还可能因此而毁掉裸片。而越来越狭窄的切割槽要求，要求锯片有非常薄的厚度，而这又使得锯片很容易磨损，带来成本上的增加。随着紫外激光技术的不断进步和创新，短波长紫外激光具有极大的工艺灵活性，具有极好的光束质量和极高的重复率，可以调整脉冲形状、重复率、色谱、光束质量等等。谐波生成技术使更短波长的激光能够用于处理各种不同的材料，并具有精细工艺所要求的最小光束直径，激光的光束直径约为1μm。对在355 nm和266 nm波长处激光所进行的开发，使它们特别适合于晶圆切割应用。因为此种切割方法是在非接触、完全干燥的环境中进行，完全没有熔融质料，没有污染源，没有机械损伤，不仅提高了半导体芯片切割的产能，同时对芯片性能影响极小，容许晶圆的形变和弯曲，其切割速度远高于传统机械切割方法，其切口质量也优于红外激光切割工艺，带来成品率的提高。

3 实验与分析

为了对比传统的砂轮切割和紫外激光切割对半导体芯片的切割效果，我们通过100 mm(4英寸)的砷化镓（GaAs）晶片，单个晶片尺寸为2 mm×3mm×80μm，预留划道宽度70μm，分别在两种机器上做了工艺实验见表2。

表2 传统的砂轮切割和紫外激光切割比较

图5 传统的砂轮切割芯片效果

图6 紫外激光切割芯片效果

通过分析以上的切割效果我们发现，紫外激光切割技术具有如下优点：

(1)紫外激光切割具有高的切割质量、高的切割速度，切割完成后芯片背面无崩边现象，切口窄，切口边缘整齐；

(2)激光加工过程中无“刀具”磨损，不接触晶片，无“切削力”作用于工件，因此无机械变形；

(3)激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小,其热影响的区小；

(4)激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，易与数控系统配合，可对复杂工件进行灵活加工。

4 结束语

由于紫外激光切割技术在半导体芯片切割中的优势，国外已经广泛采用这项工艺技术，特别是在一些高端的芯片 (如薄芯片、GaAs晶圆)和量产的芯片(如蓝光LED制造)方面。目前来看紫外激光技术还有很大的待开发潜能，它将在单位晶圆裸片数量和缩短投资回收期方面有进一步的发展，它将为半导体芯片切割开拓出一片崭新的前景。

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